球面销锻造模具设计及冷锻技术应用

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     本文以球面销为研究对象，分析球面销的锻造模具设计及对称平面的冷精锻。通过有限元分析，得出使球面销不产生内应力所需的合理精压余量，设计合理的模具，保证锻件的强度和精度。通过大批量生产进行验证，对冷精锻生产过程中出现的缺陷进行分析，找出缺陷原因，提出解决办法。

      球面销锻件示意图如图1 所示，球面销锻件是汽车关键零部件，物理、力学性能都有较高的要求。实际使用中，由于材料强度很难得到保证，经常发生零件损伤而需要不断更换。故采用热精整冷精锻的工艺替代切削加工，从而提高球面销的精度和表面粗糙度，使锻件表面硬化，提高耐磨性。
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图1 球面销锻件示意图

5 n: L7 s, y* b- H9 R球面销工艺分析
) h8 _6 w' M8 O" _0 N. x2 f% T   球面销在锻造生产中对工艺和模具设计有一定的要求。锻件的材料为40Cr，经初步估算，锻件重约3.1kg。锻件长200mm，中间球状直径约78mm，两端为扁平结构，交接处有台阶，这决定了只能采用卧式锻造。锻件成形的关键在于如何保证金属材料的合理分配及充满型腔。客户明确4 个平面为产品关键特性，锻造难以同时满足其尺寸及公差、形位公差和表面光洁度的要求。因此我们针对该位置的特性新增冷精锻工序，进一步优化加强该处关键特性，以期达到客户要求。
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     目前锻件成形方案有两种：一种是镦粗→预锻→终锻；另一种为镦粗预成形→终锻。两种工艺在实际生产中各有利弊，第一种工艺模具寿命高，但材料利用率低；第二种工艺反之，模具寿命低，材料利用率高。我公司经过多次验证，综合以上两种方案的优势，改进的方案为：镦粗预成形+预锻→终锻，既提高了模具寿命，又提高了材料利用率。
     综上分析：明确球面销生产工艺流程为：下料→加热→锻造(镦粗预成形+预锻→终锻)→热处理→后处理(探伤、抛丸、打磨等)→冷精锻→包装。
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; T, m2 S& Y2 B) W0 {5 p2 P球面销模具设计
4 q8 U. v  ]3 u. N0 Z$ p预成形及预锻模模具设计
2 U# |0 C, i) `) q/ Z" X该锻件体积不大，故预成形(图2)和预锻设计(图3)在一个模具中，减少一个模具安装工位，模具设计应注意以下几点：

' H4 v9 f8 m2 @$ g" c0 p% R0 y图2 预成形
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图3 预锻设计(左下模，右上模)
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* V. d* t1 o9 S* T(1)体积比：终预锻体积比的大小会影响模具寿命，一般预成形、预锻、终锻的体积比控制在1.2:1.1:1。
(2)预成形模和预锻模R 角设计：一般R 角预锻较终锻大2 ～3mm，预成形R 角尽量取上限，以适应预锻轮廓要求的大小为宜。
, p; Y" T. e1 T1 j" H  K9 H终锻模模具设计
终锻模具设计(图4)，在符合图纸的前提下，应满足以下几点：
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图4 终锻模具设计(左下模，右上模)

7 l; `! _/ R% X/ T9 G⑴精锻面反补偿弧：对于精锻面较大的锻件来说，终锻模冷精锻面最好做成凸形，理论上其单面最大高度差为0.2 ～0.5mm。图1 锻件厚度(24±0.4)mm，热锻件的厚度控制尺寸为(24.36±0.4)mm，取单面高度差为0.2mm，凸弧面的设计尺寸为23.96mm。此种设计要求是为了保证冷精锻有足够的精锻余量，满足客户图纸要求；同时也是为了保证冷精锻时材料的流动，避免锻件平面产生凸起、折叠等不利现象。
⑵退刀槽：锻件上的退刀槽在锻模上显示为凸出，易磨损，要求退刀槽深度按极限正差设计，即此处锻件厚度按极限负差设计。
⑶公差选择：按图纸和DIN 10243-1-2005 标准要求，锻件R 角按上限设计(+0.5r)；球销加工面按正差设计，非加工面按零位偏负差设计。
⑷拔模角：在符合图纸要求的前提下，力求3°。
通过飞边的生产验证
4 K. j/ u( C9 Y: u. U对球面销的锻造而言，外形结构简单，无深型腔，平面分模，因此从锻造成形角度上分析球面销易成形。如图5 所示在锻件尺寸满足要求的前提下，考虑夹取，根据产品的飞边分布形状即可作以下判断：
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图5 飞边分布形状
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( O, \- v) j1 E/ g" Z, E- `⑴坯料直径是否合理。
⑵坯料长度是否合适。
⑶镦粗预成形及预锻模的设计是否合理。
5 C+ ?$ l2 N  ^  J- v( v7 `9 X冷精锻模具设计
6 G* N+ Y) G: P$ K6 n  N& Y3 a! s精锻量的选取应充分考虑客户的需求。精锻量过大，严重损耗设备、模具；精锻量过小，难以达到表面光洁度要求。如图1 所示球面销，精锻面做了凹面反补偿处理，精锻量取0.3 ～0.5mm。冷精锻模具(图6)设计的关键在于精锻面到承击面的厚度，考虑锻件常温下塑性比较小，弹性变形大，因此该厚度按锻件厚度的负差设计，图1 锻件厚度为(24±0.4)mm，精锻模的精锻厚度为23.6mm。

8 }& }. y9 ]9 n$ `" v: C( p: J图6 冷精锻模具(左下模，右上模)

DEFORM-3D 有限元模模拟分析
DEFORM-3D 是针对金属成形过程的模拟分析软件，专门用于分析各种金属成形过程中的三维流动，对锻造成形过程中的关键参数进行模拟，提供有价值的分析数据。减少了模具的优化过程，大大减少了生产成本，提高了生产效率。通过DEFORM-3D 对球面销的预锻、终锻和冷精整3 个工序进行有限元模拟分析。
8 C8 j" i7 d4 N- T预锻和终锻的速度场显示了金属的流动速度和流动方向，通过模拟对模具模型进行不断的优化设计，模拟的最终结果如图7 所示，金属流动流畅，充填饱满。


+ I7 \. \3 \6 N图7 预锻和终锻的速度场模拟结果

预锻和终锻应力场显示了锻件的受力情况，通过模拟对模具的应力集中部位进行优化，可提高模具寿命。模拟最终结果如图8 所示，产品内外部受力均匀，无明显的应力集中部位。

图8 预锻和终锻应力场模拟结果
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冷精锻的应力场如图9 所示，通过对终锻模具设计的反补偿面的精锻面的受力模拟分析，控制锻件精整后产生的内应力，保证锻件不会造成拱起。通过模拟结果显示，锻件的最大应力不超过453MPa，满足工艺要求。

; Q' M# \( @6 U: q3 }图9 冷精锻应力场

$ `$ o. M' o$ T* X6 s1 M结束语
8 s; A# _; h% e8 z* ^/ B& T⑴通过对球面成形工艺的优化(将镦粗更改为预成形)，大大提高了锻件材料利用率，从过去的65%提高到了80%左右。同时单次模具寿命也得到了大大的提高，从平均3000 ～5000 只提高到了8000 ～10000 只。
⑵冷精锻余量的取值和客户的实际需求、产品冷精锻面的大小、冷精锻后的弹性变形等存在相关性。需合理设计，必要时可做反补偿，多做生产验证，在满足客户要求的前提下，减小设备吨位和模具损耗。
⑶通过DEFORM-3D 软件分别对预锻、终锻和冷精整工序进行模拟分析，根据产生的问题对模具进行不断的优化调整，通过生产进行验证，大大减少了企业的生产成本，提高了生产效率
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——文章选自：《锻造与冲压》2022年第3期
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介绍的很好